Alai

Eszenciális és nem esszenciális aminosavak

A nem esszenciális aminosavak azok, amelyeket az emlősök szintetizálnak, míg az esszenciális aminosavakat a táplálékból kell beszerezni. Miért fejlődne egy szervezet úgy, hogy bizonyos aminosavak hiányában nem tudna létezni? Valószínűleg azért, mert az alacsonyabb rendű szervezetekben (növényekben és mikroorganizmusokban) ezek az aminosavak könnyen rendelkezésre álltak, így a magasabb rendű szervezeteknek nem volt szükségük a további előállításukra. A szintézisükhöz szükséges útvonalakat kiválogatták. Az tehát, hogy nem kell további tíz aminosavat szintetizálni (és szintézisüket szabályozni), jelentős megtakarítást jelent.Mindazonáltal meg kell ismernünk ezen esszenciális aminosavak szintetikus útjait a növényekben és a mikroorganizmusokban, és kiderült, hogy ezek általában bonyolultabbak, mint a nem esszenciális aminosavak szintézisének útjai, és fajspecifikusak is.

A húsz aminosav két 10 aminosavból álló csoportra osztható. Tíz esszenciális és 10 nem esszenciális. Ez azonban nem igazán pontos felosztás, mivel a két csoport között átfedések vannak, amint azt a következő két ábrát kísérő szöveg is jelzi:

Megjegyezzük, hogy a tirozin valóban esszenciális aminosav, mivel az esszenciális aminosavnak számító fenilalanin hidroxilálásával szintetizálódik.Az állatokban a cisztein szulfhidrilcsoportja is a metioninból származik, amely esszenciális aminosav, így a cisztein is esszenciálisnak tekinthető.

A tíz “esszenciális” aminosav a következő:

Az arginint az emlősök a karbamidciklusban szintetizálják, de nagy része karbamiddá és ornitinné hidrolizálódik:

(Link dr. Diwan weboldala az Aminosavkatabolizmusról a karbamidhidrolízisről szóló további információkért, valamint az aminosavkatabolizmus áttekintéséért)

Miatt az emlősök nem tudnak elegendő arginint szintetizálni a csecsemők és gyermekek metabolikus szükségleteinek kielégítésére, esszenciális aminosavnak minősül.

Nem esszenciális aminosavak szintézise

A tirozint leszámítva (mivel annak közvetlen előanyaga a fenilalanin, amely esszenciális aminosav), az összes nem esszenciális aminosav (és ide tartozik az arginin is) a főbb anyagcsereutak köztes termékeiből szintetizálódik. Továbbá, ezen aminosavak szénváza nyomon követhető a megfelelő a-ketosavakig. Ezért lehetséges lehet, hogy a nem esszenciális aminosavak bármelyikét közvetlenül a megfelelő a-ketosav transzaminálásával szintetizáljuk, ha az a-ketosav közös intermedierként létezik. A “transzaminálási reakciót”, amelyben egy aminocsoportot egy aminosavról egy ketsav a-szénatomjára visznek át, egy aminotranszferáz katalizálja.

Három nagyon gyakori a-ketosav egy lépésben transzaminálható a megfelelő aminosavvá:

Piruvát (glikolitikus végtermék) –> alanin

Oxalacetát (citromsavciklus intermedier) –> aszpartát

a-ketoglutarát (citromsavciklus intermedier) –> glutamát

Az egyes reakciók a következők:

Asparagin és glutamin az aszpartát, illetve aglutamát amidációjának termékei. Így az aszparagin és a glutamin, valamint a többi nem esszenciális aminosav nem közvetlenül az a-ketosavak transzaminációjának eredménye, mivel ezek nem közös köztes termékei a többi útvonalnak. Mégis, képesek leszünk mindezek szénvázát egy a-ketosavra visszavezetni.Ezt nem a benne rejlő mélyreható következmények miatt mondom, hanem inkább azért, hogy leegyszerűsítsem a nem esszenciális aminosavak szintetikus útjainak megtanulását.

Aszparagin az aszparaginszintetáz által katalizált ATP-függő reakcióban transzaminálódik aszparaginná, és a glutamin az aminocsoport donor:

A glutamin szintézise kétlépéses, amelyben a glutamátot először “aktiválják” g-glutamil-foszfátintermediertté, majd egy olyan reakció következik, amelyben az NH3 kiszorítja a foszfátcsoportot:

Az aszparagin szintézise tehát szorosan kapcsolódik a glutamin szintéziséhez, és kiderül, hogy a glutamin aminocsoport-donor számos bioszintetikus termék képződésében, valamint az NH3 tárolási formája. Ezért azt várnánk, hogy a glutaminsintetáz, a glutamát amidálásáért felelős enzim központi szerepet játszik a nitrogénanyagcsere szabályozásában. Most részletesebben megvizsgáljuk ezt a szabályozást, mielőtt rátérnénk a többi nem esszenciális aminosav bioszintézisére.

Már korábban tanulmányozta a glutamát glutamát-dehidrogenáz általi oxidatív deaminálását, amelynek során NH3 és a-ketoglutarát keletkezik. A keletkező a-ketoglutarát ezután rendelkezésre áll aminocsoportok felvételére más transzaminációs reakciókban, de az ammónia mint e reakció másik terméke felhalmozódása problémát jelent, mert nagy koncentrációban mérgező. Az NH3 szintjének kontrollált tartományban tartása érdekében az a-ketoglutarát emelkedő szintje aktiválja a glutamin-szintetázt, növelve a glutamin termelését, amely különböző más reakciókban leadja aminocsoportját.

A glutamin-szintetáz szabályozását E.Coli-ban tanulmányozták, és bár bonyolult, érdemes megvizsgálni néhány jellemzőjét, mert ezáltal több betekintést nyerhetünk az egymást keresztező anyagcsere-utak szabályozásába. Az enzim kristályainak röntgendiffrakciója egy hexagonális prizma szerkezetet (D6 szimmetria) mutat, amely 12 azonos alegységből áll. Az enzim aktivitását 9 alloszterikus visszacsatolásos inhibitor szabályozza, amelyek közül 6 a glutamint tartalmazó útvonalak végterméke:

hisztidin

triptofán

karbamoil-foszfát (a karbamoil-foszfát-szintetáz II-ből szintetizálódik)

glükozamin-6-foszfát

AMP (lásd következő előadás)

CTP (lásd következő előadás)

A másik három effektor az alanin, szerin ésglicin, amelyek a sejtek nitrogénszintjére vonatkozó információt hordoznak.

Az enzimet kovalens módosítás (egy Tyrresidue adenililálása) is szabályozza, ami a fenti kilenc effektor által okozott kumulatív visszacsatolásos gátlásra való érzékenység növekedését eredményezi. Az adenil-transzferáz az az enzim, amelykatalizálja az E. coli glutaminsinthetáz adenililációját és deadenilációját is, és ez az enzim egy tetramer szabályozó fehérjével, a PII-vel van komplexben.Az adeniláció és annak visszafordítása a PII szintjén történik,egy másik, a PII-n található Tyr-maradék uridilációjától függően.Amikor a PII uridilálódik, a glutamin-szintetáz deadenilálódik; ez fordítva történik, amikor az UMP kovalensen kapcsolódik a PII Tyr-maradékához.Az uridilálás szintjét viszont az ugyanazon a fehérjén található két enzim, az uridililtranszferáz és az uridileltávolító enzim aktivitása szabályozza. Az uridililtranszferázt az a-ketoglutarát és az ATP aktiválja, míg a glutamin és a Pi gátolja.

A következő ábra összefoglalja a bakteriális glutaminszintetáz szabályozását (lásd a szöveg 1035. oldalát) :

A szabályozási kaszkádot egy konkrét példán, nevezetesen az a-ketoglutarát ( az NH3) szintjének megfelelő növekedését tükröző) megnövekedett a-ketoglutarát szintjén “végigmehetünk”:

(1) Az uridililtranszferáz aktivitása megnő

(2) A PII (az adenililtranszferázzal komplexben)uridilálódik

(3) A glutamin-szintetáz deadenilálódik

(4) Az a-ketoglutarát és NH3 glutamint és Pi-t képez

Azt, hogy a bakteriális glutamin-szintetáz szabályozása rendkívül érzékeny a sejt nitrogén-metabolitjainak szintjére, jól szemlélteti az a tény, hogy a fenti kaszkádban éppen keletkezett glutamin most a további glutamintermelés gátlója.

Osztálygyakorlat: A szabályozási útvonal segítségével magyarázza meg a glutamin emelkedő szintjének hatását a bakteriális glutaminsintetáz aktivitására.

A glutamátból származik a prolin, az ornitin és az arginin

Az első lépésben a glutamátot ATP-vel foszforilálják a g-glutamilkináz enzim segítségével, majd glutamát-5-szemialdehiddé redukálódik, amely spontán ciklizálódik (enzim nélkül) belső Schiff-bázissá. A szemialdehid képződéséhez NADP vagy NADPH jelenléte is szükséges.

A szemialdehid azonban egy elágazási pont. Az egyik ág prolinhoz vezet, míg a másik ág ornitinhez és argininhez. A glutamát-5-szemiáldehidot ornitinné transzaminálja, és a glutamát az aminocsoport-donor. Az ornitin, amely a karbamidciklus köztes terméke, a karbamidcikluson keresztül argininné alakul át.

A glutamát jelentőségének további kiemelése érdekében átalakul afiziológiailag aktív aminná, g-aminovajsavvá (GABA),az agy fő gátló neurotranszmitterévé:

A glikolitikus intermedier, a 3-foszfoglicerát szerinné,ciszteinné és glicinné alakul.

Figyeljük meg a glutamát, mint aminocsoportdonor részvételét. A szerin a következő reakcióban alakul át glicinné:

szerin + THF –> glicin + N5,N10 -metilén-THF (enzim: szerin-hidroximetil-transzferáz)

A glicin a következő kondenzációs reakcióban is keletkezik:

N5,N10 -metilén-THF + CO2 + NH4+ –> glicin (enzim: glicin-szintáz; NADH szükséges)

A cisztein szerinből és homociszteinből (metionin bomlástermék) szintetizálódik:

ser + homocisztein ->cisztationin + H2O

cisztationin + H2O –> a-ketobutirát + cisztein + NH3

Ellengedhetetlen aminosavak szintézise

Az esszenciális aminosavak szintetikus útjai a következők:

(1) csak mikroorganizmusokban vannak jelen

(2) lényegesen összetettebbek, mint a nem esszenciális aminosavaké

(3) ismert metabolikus prekurzorokat használnak

(4) faji változatosságot mutatnak

Az osztályozás céljából tekintsük a következő 4 “családot”, amelyek közös prekurzorokon alapulnak:

(1) Aszpartát család: lizin, metionin, treonin

(2) Piruvát család: lizin, metionin, treonin

(3) Piruvát család: aszpartát család: (3) Aromás család: Leucin, izoleucin, valin

(3) Aromás család:Fenilalanin, tirozin, triptofán

(4) Hisztidin

Aszpartát család

A Lys, Met és Thr szintézisének első elkötelezett lépése az első lépés, amelyben az aszpartátot aszpartil-b-foszfáttá foszforilálják,amit az aszpartokináz katalizál:

E.coli-nak 3 izoenzimje van az aszpartokináznak, amelyek eltérően reagálnak a 3 aminosav mindegyikére, az enzimgátlás és a visszacsatolásos gátlás tekintetében. A lizin, metionin és treonin bioszintézisét tehát nem csoportosan szabályozzák.

Az aszpartáttól a lizinig vezető út 10 lépésből áll.

Az aszpartáttól a treoninig vezető út 5 lépésből áll

Az aszpartáttól a metioninig vezető út 7 lépésből áll

A három útvonal szabályozása a két elágazási ponton is történik:

b-Aszpartát-szemialdehid (homoszerin és lizin)

Homoszerin (treoninés metionin)

A szabályozás a fenti zárójelben feltüntetett elágazások aminosavtermékeinek visszacsatolt gátlásából ered.

Ez a 3 aminosavból álló csoport szintézisének egy fontos lépését fogjuk megvizsgálni, nevezetesen azt a lépést, amelyben a homocisztein metioninná alakul át,amelyet a metionin-szintáz enzim katalizál:

Ebben a reakcióban a homocisztein metilálódik metioninná, és a C1donor az N5-metil-THF. Vegyük észre, hogy az enzimet “szintáz”-nak és nem szintetáznak nevezzük, mivel a reakció egy kondenzációs reakció, amelyben ATP-t (vagy más nukleozid-trifoszfátot) nem használnak energiaforrásként.Ez összehasonlítandó a “szintetázzal”, amelyben NTP szükséges energiaforrásként.Ezt a reakciót úgy is tekinthetjük, mint az ametilcsoport átvitelét az N5-metil-THF-ről a homociszteinre, így az ezt katalizáló enzim másik neve homocisztein-metil-transzferáz.

Azokat a reakciókat, amelyekben egy C1 egységet adunk egy metabolikus prekurzorhoz, célszerű áttekinteni, mivel ezek a reakciók nagyon gyakran előfordulnaka biokémiai útvonalak tanulmányozása során. Már látta az akarboxilcsoport átvitelét a piruvát-karboxiláz biotin kofaktoráról a piruvátra, hogy oxalacetátot képezzen (miért nem nevezik ezt “transzferáznak” vagy “szintáznak”?). A legtöbb karboxilációs reakcióban biotint használnak kofaktorként.Ön is tanulmányozta a metionin lebontását, amelynek első lépése az adenozin átvitele a metioninra az S-Adenozil-metionin (SAM) képződéséhez. A SAM szulfoniumionjának metilcsoportja erősen reaktív, ezért nem meglepő, hogy a SAM egyes reakciókban metiláló ágensként működik.A tetrahidrofolátok szintén C1-donoráló ágensek, és a karboxilációktól és a SAM-metilációktól eltérően a THF-ek egynél több oxidációs állapotban is képesek C1egységet átadni.

N5-metil-THF ,mint az imént láttuk, átadja a metilcsoportot (-CH3), amelyben a C oxidációs szintje a metanolé(-4). Az N5,N10-metilén-THF egy metiléncsoportot(-CH2-) visz át, és az oxidációs szintje a formaldehidé (0), míg az N5-formimino-THF a formiminocsoportot (-CH=NH) viszi át, amelyben a Catom oxidációs szintje a formiáté. A formil (-CH=O) és a metenil (-CH=) csoportokat szintén átadja a THF, és mindkettőnek a C oxidációs szintje a formiát (+2). A THF szerkezete alkalmas ezekre az átvitelekre az N5 és N10 csoportjai révén, amint azt a következő kémiai szerkezet mutatja:

A THF-fel még találkozunk, amikor a timidilát dUMP-ból történő szintézisét tanulmányozzuk, amelyet a timidilát-szintáz enzim katalizál, amelyben az N5,N10-metilén-THF a metil-donor.

A piruvátcsalád

Ezek az “elágazó láncú” aminosavak, és hasznos, ha csoportként jegyezzük meg őket, nemcsak azért, mert mind a piruvát szénvázából származnak, hanem azért is, mert a “juharszirupos vizeletbetegség” (MSUD)az elágazó láncú a-ketoaciddehidrogenáz hiányának eredménye, ami az elágazó láncú a-ketoacidok felhalmozódását eredményezi.

Nézzük csak az útvonalak elejét és végét:

Az első lépés mind a 3 aminosavban közös:

Piruvát + TPP –> Hidroxietil-TPP (az acetolaktát-szintáz katalizálja)

Vegyük észre, hogy a hidroxietil-TPP központi szénatomja egy karbanion, és rezonanciaformák stabilizálják.

A hidroxietil-TPP reagálhategy másik piruváttal a-acetolaktátot képezve, amely esetben az útvonal a valin és az izoleucin felé vezet, vagy reagálhat a-ketobutiráttal, amely esetben az útvonal az izoleucin felé vezet.

Az a-ketoizovalerátnál van egy elágazási pont, amely az egyik irányban a valinhoz, a másik irányban pedig a leucinhoz vezet.

Az utolsó lépés mindhárom aminosav kialakulásában egy aminocsoport átadása történik a glutamátról a megfelelő a-ketosavra mindhárom elágazó láncú aminosavból.Itt egy újabb példát látunk egy bizonyos aminosav, nevezetesen a glutamát jelentőségére az aminosavak anabolikus útjai szempontjából.

Az aromás aminosavak:

A foszfenolpiruvát (PEP), egy glikolitikus köztes termék, kondenzálódik a pentóz-foszfát útvonal pentóz-4-foszfát köztes termékével, 2-keto-3-deoxi-arabinoheptuloszonát-7-foszfátot és szervetlen foszfátot képezve. Az érintett enzim egy szintáz. Ez a kondenzációs termék végül ciklizálódik chorizmáttá.

Az útvonal innen elágazik, és az egyik ág végén triptofán, a másik végén pedig tirozin és fenilalanin termelődik.

Meg kell említeni néhány csúcspontot. Először is, a glutamin szerepet játszik egy aminocsoport donorjaként a kórismátnak, hogy a triptofán elágazásnál antranilátot képezzen.A triptofán közvetlen előanyaga az indol:

A triptofán szerkezetének jellemző tulajdonsága az “indolgyűrű”. Megjegyezzük, hogy a szerin az aminocsoport donora az indolnak a triptofán kialakulásához.

A tirozin és a fenilalanin felé vezető ágnak van egy másik elágazási pontja a prefenátnál. Az egyetlen különbség a 2 keletkező aminosav között az, hogy a tirozin benzolgyűrűjének para-szénje hidroxilálódik. Valójában az emlősökben a fenilalanin közvetlenül hidroxilálódik tirozinná, amit a fenilalanin-hidroxiláz enzim katalizál.

Fenilketonúria

A tirozinból származik néhány nagyon fontos élettanilag aktív amin,ezek pedig az L-DOPA, a dopamin, a noradrenalin és az adrenalin. A tirozinból a noradrenalinhoz vezető útvonal az alábbiakban látható:

A noradrenalinból az epinefrin képződése az S-adenozilmetionin nagy reakcióképességű metilcsoportjának a noradrenalinra történő átvitelével történik:

Az S-adenozil-metionin szerkezete, amely megmutatja a reaktív metilcsoportját:

Hisztidin bioszintézis:

Ezt az útvonalat egy kicsit részletesebben fogjuk megvizsgálni, mivel ez magában foglalja az 5-foszforibozil-a-pyrofoszfát molekulát (amelyet a továbbiakban “PRPP”-ként fogunk említeni). A PRPP a purinok és pirimidinek szintézisében is részt vesz, amint azt hamarosan látni fogjuk. A hisztidinszintézis első lépésében a PRPP ATP-vel kondenzálódik, hogy egy purint, N1-5′-foszforibozilATP-t képezzen, egy olyan reakcióban, amelyet a kondenzálódó pirofoszfát későbbi hidrolízise hajt. A glutamin ismét aminocsoportdonorként játszik szerepet, ezúttal 5-aminoamidazol-4-karboximideribonukleotid (ACAIR) képződését eredményezve, amely a purin bioszintézis egyik köztes terméke.

A hisztidin különleges abban a tekintetben, hogy bioszintézise eredendően kapcsolódik a nukleotidképződés útvonalaihoz. A hisztidin-maradványok gyakran találhatók enzimaktív helyeken, ahol a hisztidin imidazolgyűrűjének kémiája anukleofil és jó sav/bázis katalizátor. Ma már tudjuk, hogy az RNS katalitikus tulajdonságokkal rendelkezhet, és felmerült a feltételezés, hogy az élet eredetileg RNS-alapú volt. Talán az RNS-katalízisből a fehérjekatalízisre való áttérés a hisztidin bioszintézisének kezdetén történt.

A fiziológiailag aktív amin, a hisztamin, hisztidinből képződik: